計(jì)算機(jī)電磁干擾抑制技術(shù)研究

張 雷

(北京太極信息系統(tǒng)技術(shù)有限公司,北京 100083;中國電子科技集團(tuán)公司第十五研究所,北京 100083)

計(jì)算機(jī)電磁干擾抑制技術(shù)研究

張 雷

(北京太極信息系統(tǒng)技術(shù)有限公司,北京 100083;中國電子科技集團(tuán)公司第十五研究所,北京 100083)

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和電磁防護(hù)是模塊化計(jì)算機(jī)(Computer On Module，COM)在加固領(lǐng)域中的一項(xiàng)應(yīng)用。加固計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是抗電磁干擾、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可定制、可維護(hù)性高、更少的電子元器件，將昂貴且不穩(wěn)定的電纜連接減至最少，因此可靠性提高，而且基于COM Express的模塊化加固計(jì)算機(jī)還集成有現(xiàn)代高速串行總線技術(shù)，可提供高速的寬帶傳輸能力，具備抗電磁干擾能力?？箰毫迎h(huán)境計(jì)算機(jī)技術(shù)要求抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)在電磁干擾、高低溫、振動(dòng)沖擊等惡劣環(huán)境中能夠可靠地運(yùn)行和工作。理論上使用電磁兼容技術(shù)與濾波技術(shù)，完成信號(hào)共模噪聲抑制設(shè)計(jì)、USB信號(hào)高頻傳導(dǎo)干擾抑制設(shè)計(jì)和ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)，通過數(shù)學(xué)計(jì)算和加固計(jì)算機(jī)的電磁抗干擾測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果合格，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性和可靠性。

加固計(jì)算機(jī)；電磁兼容；抑制共模干擾；高頻傳導(dǎo)干擾

0 引 言

抑制電磁干擾技術(shù)是一門新興的綜合性學(xué)科，也是抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)技術(shù)的一部分。抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)技術(shù)又稱加固計(jì)算機(jī)技術(shù)，即要求抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)在電磁干擾、高低溫、振動(dòng)沖擊等惡劣環(huán)境中能夠可靠地運(yùn)行和工作。在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，特別是在航空航天環(huán)境中，對(duì)加固計(jì)算機(jī)的電磁兼容性要求及抗

電磁輻射要求也更高。

計(jì)算機(jī)只有通過輸入輸出I/O接口方能實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的通信和功能擴(kuò)展。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)機(jī)體屏蔽技術(shù)已經(jīng)比較成熟，這就使與外界存在電氣連接的I/O接口成為電磁干擾信號(hào)重要的傳導(dǎo)通道[1]。COM-Express(COM-E)定義了標(biāo)準(zhǔn)的緊湊型PCIE、PCI總線信號(hào)、聲卡、USB、LVDS、VGA、S-Video、Ethernet、LPC等信號(hào)，這些信號(hào)在信號(hào)頻率、信號(hào)特性、信號(hào)電平等方面對(duì)加固技術(shù)提出了更高的要求。針對(duì)RS-232串口、USB等計(jì)算機(jī)常用I/O接口的特性，給出了對(duì)應(yīng)的抗電磁干擾技術(shù)方案。

1 RS-232信號(hào)共模噪聲抑制設(shè)計(jì)

1.1RS-232接口

RS-232串行接口是通用儀器設(shè)備或計(jì)算機(jī)通信最常用的接口之一，其英文全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口，其電性能采用DC12V標(biāo)準(zhǔn)脈沖，且信號(hào)使用負(fù)邏輯[2]。在COM-E主板，RS-232信號(hào)來自于W83627HF芯片。

RS-232串行接口的電平特性如下：

Mark(傳號(hào))=-3 V--15 V，采用邏輯“1”電平。

Space(空號(hào))=+3 V-+15 V，邏輯“0”電平。

在控制線上：

On(通)=+3 V-+15 V，邏輯“0”電平。

Off(斷)=-3 V--15 V，采用邏輯“1”電平。

由上述特性，可得出EIA-RS232接口九芯插座的信號(hào)參數(shù)狀態(tài)，如表1所示。

表1 RS-232信號(hào)參數(shù)表

RS-232接口工作過程如下：

建立物理連接：每當(dāng)主機(jī)甲發(fā)起一次物理連接，將串行口DTR置為+12 V發(fā)出數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好信號(hào)給調(diào)制解調(diào)器[3]，當(dāng)Modem調(diào)制解調(diào)器撥號(hào)并與主機(jī)乙建立連接后，向主機(jī)甲發(fā)送DSR數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)備信號(hào)為+12 V，完成數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備工作。

數(shù)據(jù)傳輸：每當(dāng)計(jì)算機(jī)主機(jī)準(zhǔn)備發(fā)送bit比特流時(shí)，向Modem調(diào)制解調(diào)器發(fā)送RTS為DC+12 V，Modem調(diào)制解調(diào)器準(zhǔn)備好后，向主機(jī)發(fā)送CTS允許發(fā)送信號(hào)為DC+12 V，計(jì)算機(jī)主機(jī)通過TXD信號(hào)發(fā)送bit比特流[4]。

Link連接釋放：每當(dāng)Com Data通信數(shù)據(jù)傳輸完成后，計(jì)算機(jī)主機(jī)將DTR置為DC-12 V，通知Modem調(diào)制解調(diào)器結(jié)束連接一次[5]。

在短距離內(nèi)，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信可以不通過調(diào)制解調(diào)器，采用中斷方式接線，分別將兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的DTR與DSR短接，CTS與RTS短接，并將兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的RXD與TXD交叉相連，每次計(jì)算機(jī)發(fā)出通信和連接要求時(shí)，狀態(tài)反饋地模擬Modem調(diào)制解調(diào)器的響應(yīng)，使其適應(yīng)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的通信要求[6]。

1.2共模干擾機(jī)理

電纜上的電磁干擾按照干擾電流的流動(dòng)路徑分為共模干擾和差模干擾[7-8]，如圖1所示。

圖1 差模干擾與共模干擾

新的差分雙線絞傳輸方式，抗共模噪聲的能力比較強(qiáng)，共模抑制比非常大[9]。在差分信號(hào)傳輸過程中，共模噪聲耦合到兩根差分傳輸線上。但由于噪聲是同時(shí)加在差分的兩根傳輸線上，使得接收設(shè)備的輸入電壓仍保持恒定變，所以共模噪聲不會(huì)對(duì)信號(hào)的質(zhì)量產(chǎn)生影響[10-11]。RS-232的信號(hào)并未采用差分傳輸方式，因此對(duì)共模干擾較為敏感。

為抑制RS-232信號(hào)線上的共模干擾，可采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電氣隔離。

1.3光電耦合器抑制共模噪聲

光電耦合器的輸入阻抗較小，僅有幾百Ω，相對(duì)應(yīng)的干擾源阻抗很大，通常為105～106 Ω[12]。據(jù)電路串行分壓原理可知，即使Interrupt干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器的Input輸入端噪聲電壓會(huì)非常小，僅能形成很微弱的電流，因?yàn)闆]有足夠的能量，所以無法使二極管發(fā)光，因此干擾信號(hào)被抑制[13]。等效原理圖如圖2所示。

圖2 共模干擾抑制等效原理

COM-E主板模塊及W83627PHF芯片提供的RS串口信號(hào)滿足標(biāo)準(zhǔn)TTL電平水準(zhǔn)。通用計(jì)算機(jī)的串口信號(hào)遵守的是RS-232標(biāo)準(zhǔn)，EIA RS-232是用正負(fù)直流電壓來表示邏輯狀態(tài)的，與TTL的高低電壓表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。所以為了使TTL電器件能與通用串口設(shè)備相連接，在RS-232與TTL電路之間進(jìn)行電平與邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換。

光電耦合器在TTL電平到EIA電平轉(zhuǎn)換之前，摒棄了傳統(tǒng)的在EIA電平后端進(jìn)行光電隔離的方式。芯片MAX211硬件上管腳19、20、22、5、6、7、8、26是經(jīng)過光電耦合器之后的TTL輸出，而管腳9、18、2、3、4、23、27為EIA RS-232管腳[14]。將光電耦合器的位置前移，達(dá)到了較好的噪聲抑制效果。

2 USB信號(hào)高頻傳導(dǎo)干擾抑制技術(shù)

2.1通用串行總線特性

通用串行總線(USB)是當(dāng)前流行的外部設(shè)備總線標(biāo)準(zhǔn)。USB的使用為計(jì)算機(jī)外部連接設(shè)備帶來了即插即用的功能。USB不需要專用的端口，同時(shí)減少了專用I/O卡的使用，節(jié)約了像IRQ此類重要的資源，連接到USB端口的設(shè)備僅需要計(jì)算機(jī)提供的一個(gè)IRQ即可。因此在當(dāng)前CPU設(shè)計(jì)中，USB信號(hào)接口不可或缺[15]。COM-E嵌入式模塊的USB接口位于其A-B接口處。

USB接口共有4個(gè)引腳，如圖3所示。

圖3 USB信號(hào)電氣剖析圖

其中，Data+與Data-為數(shù)據(jù)信號(hào)線，采用差分傳輸方式傳輸數(shù)字信號(hào)。收發(fā)傳送數(shù)字信號(hào)、地和電源通過一種四線的電纜，物理上中間的兩根信號(hào)線Data+與Data-用于發(fā)送和接收信號(hào)。目前存在兩種數(shù)據(jù)傳輸率：USB的低速信號(hào)傳送的比特率為1.5 Mbps；高速信號(hào)的比特率為12 Mbps。

圖3中，GND、VBUS這兩個(gè)信號(hào)引腳為設(shè)備提供地及5 V電源信號(hào)。GND是信號(hào)地，而VBUS使用+5 V直流。USB信號(hào)對(duì)電纜長度和厚度的要求很高，最長可為10 m，寬度盡量寬以通過大電流。設(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的導(dǎo)線長度以匹配其他一些特性和指定的IR drop，如互聯(lián)電纜適應(yīng)度和設(shè)備電源預(yù)算[16]。要保證匹配的終端阻抗和輸入電壓不衰減，重點(diǎn)的終端設(shè)備應(yīng)位于電纜的尾部。在每個(gè)USB端口都可檢測(cè)終端是分離還是連接，并區(qū)分低速設(shè)備，抑或高速設(shè)備。

在低速模式下，信號(hào)需要很少的電磁保護(hù)。這兩種模式可在同一種USB總線傳輸?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)切換。由于很多低速模式的使用會(huì)降低總線的利用率，因此該模式僅支持低帶寬的限量設(shè)備(像鼠標(biāo)、鍵盤)，打印機(jī)則不支持。調(diào)制信號(hào)時(shí)鐘后與差分?jǐn)?shù)據(jù)同時(shí)傳送出去，USB的Clock時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換成NRZI碼，而且填充了bit用來保證轉(zhuǎn)換的連續(xù)性，每個(gè)數(shù)據(jù)包中含有同步信號(hào)，用來使接收方可以動(dòng)態(tài)還原出原先的時(shí)鐘信號(hào)。

2.2傳導(dǎo)干擾特性

隨著加固系統(tǒng)自動(dòng)化程度的不斷提高，電子設(shè)備在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用更為廣泛。在加固計(jì)算機(jī)所處的環(huán)境中，電磁干擾非常嚴(yán)重，有脈沖型、振蕩型及電壓跌落等干擾[17]。主要干擾源有以下幾種：

系統(tǒng)機(jī)構(gòu)短路和地電位差：包括雷擊高壓線、人員操作過電壓等產(chǎn)生的工頻接地和高頻電流的接地。接地電流往往會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，影響諸多設(shè)備和二次回路，工頻接地電流入地會(huì)引起地電位升高并產(chǎn)生地電位差，對(duì)接地的設(shè)備產(chǎn)生高頻干擾，是非常大的外部噪聲干擾源；

雷電：包括直擊雷電和感應(yīng)雷，干擾的形式有雷電輻射、雷擊接地等；

低壓電子設(shè)備之間的互相干擾，此類電子設(shè)備在工作時(shí)會(huì)向外發(fā)射不同強(qiáng)度的電磁能量，相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾。

以上干擾源所產(chǎn)生的電磁干擾最終都通過電纜線從I/O接口耦合到加固計(jì)算機(jī)內(nèi)部，對(duì)于USB總線來說，會(huì)造成USB設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的通信故障，導(dǎo)致USB接口失效。針對(duì)這一情況，在USB接口電路中加入信號(hào)濾波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電磁干擾的防護(hù)。

2.3USB信號(hào)專用濾波電路

根據(jù)USB1.1～3.0規(guī)范，USB信號(hào)最大速率為12 Mb/s，即信號(hào)的最高頻率為96 MHz。而高頻電磁干擾噪聲的頻譜范圍多分布在300 MHz～3 GHz之間。為提高加固計(jì)算機(jī)USB接口的噪聲容限，需要針對(duì)USB信號(hào)和噪聲信號(hào)的頻譜特點(diǎn)設(shè)計(jì)濾波電路，其中最重要的一個(gè)參數(shù)是濾波電路的截至頻率。一般來講，電磁兼容性的要求為：

f截止=K×(系統(tǒng)內(nèi)電磁干擾最低頻率)

(1)

其中，K根據(jù)電磁兼容性要求確定，一般情況下取1/3或1/5[18]。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)傳導(dǎo)干擾抑制阻帶內(nèi)，要有20 dB的衰減，通帶內(nèi)的衰減應(yīng)不超過0.5 dB。所以適用于加固計(jì)算機(jī)USB接口的EMI濾波器的截止頻率確定為100 MHz，以確保電路對(duì)頻率為300 MHz的干擾有足夠的衰減。

綜上所述，制定USB專用濾波電路的要求如下：

截止頻率為100 MHz時(shí)，衰減應(yīng)控制在3 dB；

0～30 MHz的通帶內(nèi)，衰減應(yīng)不超過0.2 dB；

在500～∞ MHz的阻帶內(nèi)，衰減不小于20 dB。

理想的濾波特性是無法用有限個(gè)元件來實(shí)現(xiàn)的。解決方法是利用物理上可實(shí)現(xiàn)的近似函數(shù)去逼近所給定的技術(shù)要求，使兩者之差盡可能縮小。逼近方法有巴特沃思逼近和切比雪夫逼近兩種，綜合比較后選擇在截止頻率附近有最大平坦度的巴特沃思逼近。

3 ESD保護(hù)電路技術(shù)及實(shí)驗(yàn)

電路的ESD保護(hù)電路由4個(gè)齊納二極管組成。ESD保護(hù)分兩個(gè)階段，如圖4所示。ESD沖擊在S1階段被鉗位，然后仍然會(huì)有過壓通過電阻R傳輸?shù)降诙A段，通過S2鉗位，最終在輸出端的電壓已經(jīng)在一個(gè)較低的水平上。

圖4 電磁干擾之浪涌抑制等效電路

按等效電路推得輸入輸出的電壓計(jì)算公式為：

(2)

(3)

根據(jù)IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)人體靜電放電模型，令Vpp=8.8 kV，Rg=330 W，VBR=7 V，Rd=1 Ω，計(jì)算得：Vinput=36.33 V，Voutput=8.107 V。

由此可見，輸出電壓比輸入電壓降低很多，達(dá)到了人體可接受的安全電壓范圍，此技術(shù)防電磁干擾及浪涌能力較強(qiáng)。

加固計(jì)算機(jī)根據(jù)國軍標(biāo)GJB151A/152A的相關(guān)要求，進(jìn)行了RS103、CS101CS114、CS116及浪涌實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)階段其工作性能及接口功能均正常，達(dá)到了電磁防護(hù)目標(biāo)的要求。

4 結(jié)束語

在計(jì)算機(jī)電磁干擾抑制方面進(jìn)行了理論研究及實(shí)踐，完成了計(jì)算機(jī)I/O接口的電磁設(shè)計(jì)、RS-232信號(hào)共模噪聲抑制設(shè)計(jì)和USB信號(hào)高頻傳導(dǎo)干擾抑制技術(shù)。針對(duì)電磁干擾問題，使用了電磁兼容技術(shù)與濾波技術(shù)，通過對(duì)抑制電磁干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行理論計(jì)算和分析，完成了信號(hào)共模噪聲抑制設(shè)計(jì)、USB信號(hào)高頻傳導(dǎo)干擾抑制設(shè)計(jì)和ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)，由理論支撐的技術(shù)方案解決了這一問題。電磁傳導(dǎo)、輻射敏感度的合格實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的有效性，達(dá)到了此次計(jì)算機(jī)抑制信號(hào)電磁干擾相關(guān)技術(shù)的研究目的。

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ResearchonElectromagneticAnti-interferenceTechnologyofComputers

ZHANG Lei

(Beijing Taiji Information System Technology Co.,Ltd.,Beijing 100083,China;China Electronics Technology Corporation No.15 Research Institute,Beijing 100083,China)

Computer design and electromagnetic protection is a kind of application on COM (Computer On Module) in ruggedized field.The characteristics of strengthening computer is anti electromagnetic interference,high scalability and maintenance,being customizable and less electronic components,which minimizes the expensive and unstable connecting cable to improve its reliability.Meanwhile,the modular strengthening computer based on COM Express is integrated with modern serial bus technology with high speed and can provide broadband reinforcement with anti electromagnetic interference.The computer technology of anti-harsh environment requires that the computer can run and work reliably in the harsh environment such as electromagnetic interference,high and low temperature,vibration and shock.The electromagnetic compatibility technology and filtering technology is used in theory to completing of design in signal common mode noise suppression,high frequency conduction suppression of USB signal and ESD protection circuit.The test of anti electromagnetic interference by mathematical calculation and reinforcement computer is satisfactory,which verifies its validity and reliability.

ruggedized computer;electromagnetic compatibility;suppressing common mode interference;high-frequency conduction interference

2016-11-15

2017-02-16 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-07-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61105120)

張 雷(1982-),男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)與工程應(yīng)用。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170719.1108.020.html

TP39

A

1673-629X(2017)11-0146-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.11.032